论文部分内容阅读
高压陶瓷电容器体积小、容量大、寿命长,在电力系统中得到广泛运用,其常用钛酸钡类烧结陶瓷作为电介质。钛酸钡类烧结陶瓷孔隙多,居里温度离室温近,电容器表现为耐压低、局放大、温度稳定性差。特高压电力系统的发展对电容器提出更多更苛刻的要求,特别是要求电容器具有更高的耐压水平,更低局放量,更好的温度稳定性等,常规烧结陶瓷电容器已不能满足特高压电力系统发展需求。玻璃陶瓷复合材料结构致密无孔隙,可以通过成份设计和可控结晶得到介电常数大、耐压高、局放小的电介质。近年来国内外针对铌酸盐玻璃陶瓷材料体系研究较多,但是如何将其转化为电容器器件报道较少。本文通过对铌酸盐玻璃陶瓷材料体系、电极和封装研究,首次将玻璃陶瓷开发为特高压电力系统用高压电容器,解决了常规烧结陶瓷电容器局放高、温度稳定性差等问题。文章首先研究了ANb2O6-NaNbO3-SiO2体系玻璃陶瓷可控结晶、微观结构和介电性能的关系,其中PSNNS体系A位为Pb1-xSrx, PBNNS体系A位为Pb1-yBay, BSNNS体系A位为Ba1-zSrZ。可控结晶研究表明,各体系在600℃～1000℃主要存在两个结晶峰,结合XRD分析低温相为烧绿石结构,高温相为钙钛矿结构的NaNbO3和钨青铜结构的偏铌酸盐相。结构与性能研究表明,随着结晶温度升高,介电常数增加,但介电常数电压稳定性、温度稳定性有所降低。针对实际运用,文章首次提出从玻璃相角度对玻璃陶瓷进行优化：PSNNS体系玻璃陶瓷,Pb2+在玻璃相中同时提高其耐压水平和介电常数,Al3+将损耗降至0.0078,Gd3+在保持介电常数基本不变的情况下将损耗降为0.0028。选用PSNNS体系玻璃陶瓷(直径20mm,厚度1mm)进行电极和封装研究。电极研究中发现银浆电极与电介质界面存在大量孔洞,从而产生大量局放,降低电容器工作电压。银浆电极样品直流耐压为50.0kV,交流耐压为4.0kV；起始局放电压1.7kV,3kV时局放量达到26.4pC。采用活性钎焊技术制备电极,界面孔隙得到解决,但是高温高真空导致玻璃陶瓷脱氧。脱氧研究表明介电性能恶化是氧空位所致,补氧研究将损耗控制在0.25以内。采用磁控溅射/锡铅焊料电极,界面致密,导流能力强,直流耐压升至60.0kV,交流耐压升至4.8kV,局放性能也大幅改善,起始局放电压增加为2.8kV,3kV下局放量降为6.36pC。采用Comsol软件对电极结构设计发现,电极留边量越大,厚度越低,电场畸变系数越大,从而降低电容器工作电压。封装研究首先对环氧树脂各项性能进行研究,选择合适的环氧树脂作为封装材料。进一步研究发现电容器击穿主要发生在电介质/电极/封装材料三相界而处,模拟结果表明三相界面处电场畸变最严重。为均化三相界而畸变电场,文章首次采用高介电固体封装技术,通过提高封装材料介电常数,在保持其它性能不变的情况下,将直流耐压提高至75.0kV,交流耐压提高到7.5kV。非线性电阻率材料均化畸变电场研究,将电容器交直流耐压分别提高为8.5kV、78.OkV。最后针对特高压电力系统需求,基于玻璃陶瓷电介质设计高压耦合电容,并对其电容、损耗、交流耐压、局部放电、温度稳定性、电压稳定性、雷电冲击、重复充放电等性能进行研究,结果表明其性能远超常规烧结陶瓷电容器。